Рутений что это за металл
Рутений – благородный символ России
Этот металл – самый неординарный в платиновом семействе. Он довел до отчаяния или нервного срыва не одного исследователя. Закономерно, что рутений был изучаем последним из платиноидов. Его название напрямую связано с Россией.
Что представляет собой
Рутений – это благородный металл платиновой группы. В таблице Менделеева это элемент с порядковым номером 44. Располагается компактно рядом с другими платиноидами.
Формула отсутствует: это простое вещество. Состоит из семи стабильных изотопов.
Международное обозначение – Ruthenium (Ru).
Выглядит как типичный металл: голубовато- либо светло-серый цвет дополнен ярким серебристым блеском.
Как был открыт металл
Рутений попал в сферу интересов ученых к середине 19 века, когда на Урале началась платиновая лихорадка.
Однако история оказалась сложной:
Металл назван в честь страны, где впервые был обнаружен. Так предложил первооткрыватель Готфрид Озанн. Россия заняла место в таблице Менделеева.
Ruthenia – латинизированный вариант топонима Россия. Так государство именовалось Европой до 15 века.
По другой версии, первым изучал этот химический элемент все тот же Снядецкий еще в 1809 году. Он назвал новый элемент вестием – в честь астероида Веста, открытого двумя годами ранее.
Всю жизнь посвятил изучению металла советский ученый С.М.Старостин.
Физико-химические характеристики
Рутений наделен характеристиками, свойственными другим платиноидам: повышенная твердость (6,5 по Моосу), стойкость к химическим субстанциям, включая агрессивные.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Рутений / Ruthenium (Ru), 44 |
| Атомная масса (молярная масса) | 101,07(2) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Kr] 4d7 5s1 |
| Радиус атома | 134 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 125 пм |
| Радиус иона | (+4e) 67 пм |
| Электроотрицательность | 2,2 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | 0 |
| Степени окисления | +3, +4, +6, +8, 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 710,3 (7,36) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 12,41 г/см³ |
| Температура плавления | 2334 °C (2607 K, 4233 °F) |
| Температура кипения | 4077 °C (4350 K, 7371 °F) |
| Уд. теплота плавления | (25,5) кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,0 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 8,3 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a=2,706 c=4,282 Å |
| Отношение c/a | 1,582 |
| Температура Дебая | 600 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 117,0 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-18-8 |
Есть отличительные признаки:
Металл хрупок, легко истрирается до порошка.
Металл в природе
По распространенности рутений едва ли не самый редкий из благородных металлов: его доля в земной коре – 1х2-6%. В 200 раз больше вещества содержат метеориты.
Общая масса разведанных запасов рутения оценивается в 5 тыс. тонн.
Минерал находят по следующим маркерам:
Лаурит и рутенарсенид – собственные минералы рутения. Первый темный, плотный, насыщен рутением. Оба чрезвычайно редки.
Где добывается
Рутений добывают там же, где платину или платиноиды:
Главный поставщик сырья – Южно-Африканская Республика.
Ежегодный мировой показатель добычи рутения – 17-21 тонна.
Технологии получения
Где используется
Благородный металл востребован как самодостаточный элемент и компонент сплавов.
Промышленность
Главный потребитель металла.
Его забирают следующие отрасли:
Эти направления используют 90% сырья.
Химики ценят металл за инертность и свойства катализатора:
Без рутения как элемента сплавов не обходятся передовые отрасли:
Чистым рутением покрывают особо важные детали, чтобы сделать их устойчивее механически, химически.
Ювелирное дело
В ювелирных изделиях применение металла двояко: как укрепляющего компонента сплава и прочного покрытия.
Изделия из сплавов с рутениевой лигатурой надежны, прочны, что важно для украшений, испытывающих повышенные нагрузки (кольца, перстни, браслеты).
Покрытие рутением создает на поверхности изделия пленку в гамме оттенков от графита до черноты.
Вместе с родием они создают элитарное чёрное золото.
Чем интересен для ученых
Рутений околдовывал многие поколения ученых. Выяснилось, что некоторые его характеристики почти копируют платиноиды родий и осмий, другие – железо.
Но и через почти двести лет после открытия элемента вопросы остаются:
Поэтому не удается пока получить стойкий чистый металл.
Эти обстоятельства только раззадоривают ученых, особенно молодежь. Они намерены приручить своенравный металл. Особо привлекательные направления – полное и экономически оптимальное извлечение элемента из минералов, шлама, ядерных отходов.
Биологическое воздействие
Как и платина, нанодозы рутения присутствуют в тканях биологических организмов (у человека это мышцы).
Металл, его соединения биологически активны. Данное свойство используют дерматологи, онкологи, фтизиатры.
На особом счету неорганический краситель, известный как «рутениевый красный». Он контрастно выделяет ткани, другие биологические субстанции, исследуемые под микроскопом.
Однако есть опасные для человека соединения:
Это нужно учитывать, если в семье есть поклонники домашних химических опытов. Такие субстанции хранят в специальных емкостях.
Рутений недорог: в семействе благородных металлов цена за грамм меньше только у серебра.
В декабре на биржах за 1 грамм металла давали 636 руб. ($8)
За последние двадцать лет она выросла в 14 раз.
РУТЕНИЙ — загадочный, как русская душа
В Средневековье европейцы Русь называли Рутенией. Для них эти земли были территорией «непокорных племён», «дикарей и язычников», непонятных и непредсказуемых народов.
Наш нынешний герой назван в честь Рутении очень «в точку». Металл до сих пор во многом загадочный, необъясненный и иногда взрывоопасный — как сама Россия. Так что К. Клаус, давший название платиноиду, попал «в яблочко».
Карл Карлович Клаус, «папа» рутения
В истории изучения платиноидов выделяются несколько ученых. Среди них К. Клаус — химик, фармацевт, философ.
Совсем малышом он остался сиротой. Жил в нищете, даже гимназию не закончил, но отличался любознательностью и учился сам. Потому сумел сдать экзамен на фармацевта. Переехал в Казань, стал заведовать аптекой. В 32 года, будучи женатым, имея трех детишек, решил продолжить учебу.
У талантливых людей широкий круг интересов. Клаус занялся ботаникой, исследовал растения заволжских степей. А когда учился (семью-то кормить надо было), работал лаборантом.
Закончил Дерптский университет, защитил диссертацию, и снова уехал в Казань. Тут возглавил химическую лабораторию в Казанском университете — и увлекся химией.
Хорошему игроку и карта идет. В 1840 году в университет прислали платиновую руду, и начались исследования.
Клаус писал о своем открытии:
«Более целого года трудился я над этим предметом, но наконец открыл легкий и верный способ добывания его в чистом состоянии. Этот новый металл, который мною был назван рутением в честь нашего Отечества».
Удивительные свойства
Характеристики рутения во многом парадоксальны. Часть химиков считает, что свойства металла зависит от … метода получения платиноида. Проблема в том, что действенного способа очистки рутения от примесей до сих пор нет. Ученые и исследователи облизываются при мысли о свойствах (теоретических) капризного платиноида. Но до сих пор получить химически чистый рутений не получилось.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Рутений / Ruthenium (Ru), 44 |
| Атомная масса (молярная масса) | 101,07(2)[1] а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Kr] 4d7 5s1 |
| Радиус атома | 134 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 125 пм |
| Радиус иона | (+4e) 67 пм |
| Электроотрицательность | 2,2 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | |
| Степени окисления | +3, +4, +6, +8, 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 710,3 (7,36) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 12,41 г/см³ |
| Температура плавления | 2334 °C[2] (2607 K, 4233 °F) |
| Температура кипения | 4077 °C[2] (4350 K, 7371 °F) |
| Уд. теплота плавления | (25,5) кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 24,0[2] Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 8,3 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a=2,706 c=4,282 Å |
| Отношение c/a | 1,582 |
| Температура Дебая | 600 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 117,0 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-18-8 |
Газопоглощение у металла потрясающее. Один объем металла способен поглотить больше 1500 объемов водорода; с немного меньшим аппетитом он «съедает» азот, не откажется и от некоторых неметаллов.
Немного химии
Это не урок, и оценок ставить не будем (если понравится статья — поставьте оценку вы и поделитесь с друзьями, нам будет приятно).
Вспомним таблицу Менделеева. В ней представлены все химические элементы, существующие на Земле. Буквально все, что вас окружает и (уж простите) вы сами состоит из этих элементов, аккуратно собранных в таблице Менделеева.
Таблица не только расставляет в порядок элементы, она дает возможность обобщать элементы в группы по схожим признакам. Рутений относится к VIII группе таблицы и удобно устроился в семействе из шести металлов. Все они занимают свои места-клеточки в таблице Менделеева, у каждого есть порядковый номер.
Платиноиды (металлы платиновой группы) находятся в клеточках под номерами 44, 45, 46 и 76, 77, 78.
Какой он, рутений
Химические свойства мало отличаются от его платиновых «собратьев».
Рутений — элемент «высокомерный», с кем попало не связывается. Химики скажут, что металл отличается высокой химической стойкостью. Кислоты, щелочи, даже царскую водку рутений игнорирует. Единственный галоген, с которым платиноид реагирует, это фтор.
В соединениях проявляет степени окисления +3, +4, +6, +8, реже +1, + 2, +5, +7.
Рутений металл хрупкий, все попытки провести механическую обработку заканчиваются одинаково — разрушением слитка. Ученые обнадеживают — это потому, что металл недостаточно чистый; удалить из него примеси, и свойства рутения покажут себя в полной красе.
Металл неохотно открывает свои тайны; его температуры плавления (2334°С) и кипения (4077°С) были установлены недавно. А ведь металл открыт в 1844 году.
Кристаллическая решетка гексагональная.
Ау, рутений, где ты?
Распространенность металла в земле прискорбно мала. Среднее содержание рутения в земной коре 0,0000005% от массы Земли. Немного выше содержание металла в ультраосновных изверженных породах. Есть металл в сульфидных медно-никелевых рудах.
Известно два минерала, содержащих рутений. Это лаурит, сульфид рутения. Его химическая формула RuS2, и рутенарсенид (RuAs). В природе редки, промышленного интереса не представляют.
Добыча платиноида производится чаще всего из коренных или россыпных платиновых и из полиметаллических руд.
Страны, добывающие рутений (в порядке по количеству извлекаемого металла):
Разделим платиноиды
Рутений добывают из отходов производства платины. Малоотходное производство, милое дело.
Побочным плюсом использования атомной энергетики стала…добыча рутения.
Источником энергии на АЭС являются ТВЭЛы и ТВС (тепловыделяющие элементы, которые собирают в длинные «карандаши» — тепловыделяющие сборки).
Отработанные ТВС не только создают проблему хранения и утилизации. В продуктах деления «начинки» ТВЭЛов содержится рутений, причем в немалом количестве — более 200 грамм на тонну отработанного топлива.
Хотя, честно говоря, это не стабильные, а радиоактивные изотопы металла.
Отработанные тепловыделяющие сборки (ТВС) помещают в специальные хранилища. Вот оттуда радиоактивный рутений начинает рваться наружу. С этим борются, но процесс этот сложный, победа зачастую за беглецом. В этом случае изотоп попадает в атмосферу, оседает на землю.
Применение: от химической промышленности до криминалистики
Сразу скажем, что в ювелирном деле платиноид бесполезен.
Применение металла в электрохимической и химической промышленности необходимо и оправдано.
В общем, на рутений ученые возлагают много надежд.
Купить металл недорого
Нынешний рост цен спровоцирован спросом на металл в Китае и других азиатских странах.
Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!
Рутений (Ru) — четвертый элемент с ферромагнитными свойствами при комнатной температуре
Рутений (Ru) — четвертый элемент с ферромагнитными свойствами при комнатной температуре
С таблицей Менделеева мы знакомы еще со школьной скамьи. С годами исследований и поисков в ней появляются новые элементы. Но и те, что уже давно заняли свое почетное место в таблице могут продемонстрировать нечто новое. Исследователям из университета Миннесоты удалось доказать, что химический элемент под номером 44 — рутений — обладает весьма примечательными магнитными свойствами. Насколько это открытие важно для мира науки и технологий? Как удалось обнаружить скрытые свойства уже известного элемента? И зачем были организованы эти поиски изначально? На эти вопросы мы и попробуем найти ответы. Поехали.
Для начала стоит познакомиться с главным действующим «лицом» этого события, с рутением. Это элемент восьмой группы пятого периода под атомным номером 44. Он является так называемым переходным металлом. В атомах таких элементов электроны появляются на f и d орбиталях*.
Атомная орбиталь* — одноэлектронная пси-функция (в квантовой механике описывает чистое состояние системы), полученная как результат решения уравнения Шредингера для конкретного атома.
На изображении показаны формы и расположение в пространстве f (зеленый) и d (синий) орбиталей
При разговоре про орбитали используются буквы, соответствующие определенному значению орбитального квантового числа, которое определяет кинетический (орбитальный) момент* электрона.
Кинетический (орбитальный) момент* — величина, описывающая вращательное движение, то есть совокупность таких нюансов: масса вращающегося тела, распределение массы относительно оси вращения, скорость вращения.
Впервые мир узнал о существовании рутения в далеком 1844 году благодаря Карлу Клаусу, профессору Казанского университета. Название данного элемента весьма патриотическое, поскольку слово «Ruthenia», взятое за основу, в переводе с латыни означает «Русь» или «Россия».
Чтобы получить рутений необходимо провести аффинаж* платины или других платиновых металлов.
Аффинаж* — очистка тяжелых металлов от примесей. В случае платины это очистка путем растворения в минеральных кислотах и выделение оной из раствора с помощью реагентов.
Что нового «рассказал» рутений?
О том, что некоторые вещества обладают магнитными, а точнее ферромагнитными свойствами, человечество знает довольно давно. До последнего момента было известно всего 3 элемента из таблицы Менделеева, которые называют ферромагнетиками при комнатной температуре: никель (Ni), железо (Fe) и кобальт (Co).
Создание образцов для исследований
Торр* — иное название единицы измерения «миллиметр ртутного столба». Получил свое имя в честь итальянского математика и физика Эванджелиста Торричелли.
Образец толщиной 2.5 нм выращивался при комнатной температуре. А образцы толщиной 6 и 12 нм подвергались нагреву до 400 °С во время отжига.
Вырастив при комнатной температуре слой молибдена (20 нм) и рутения (2.5 нм), был создан контрольный образец. Также, в качестве дополнительного контрольного образца, при температуре 400 °С был создан слой (110) молибдена 20 нм в толщину на подложке из Al2O3, но уже без рутения.
На изображении выше (1а) продемонстрирована эпитаксия кристаллографических семейств плоскостей (110) Al2O3//(110) Mo//(011) Ru. Эпитаксиальная* связь была подтверждена с помощью рентгеновской дифракции (XRD), вращая образец 360°.
Эпитаксия* — нарастание одного кристаллического материала на поверхности другого при более низких температурах.
На изображении 1b отчетливо видна 4-кратная симметрия плоскостей (110) Al2O3, а также отмечается поворот кристаллографической ориентации молибдена на 35° от плоскости подложки (001).
Графики 1с показывают результаты θ–2θ дифракционного сканирования для всех четырех образцов.
Образец, выращенный при комнатной температуре, не показал признаков текстурирования. А вот образцы толщиной 2.5, 6 и 12 нм, выращенные при 400 °С, продемонстрировали сильное текстурирование (110) молибдена.
Последний график в данном сете — 1d — демонстрирует рентгеновскую отражательную способность текстурированных образцов. Была выявлена степень шероховатости для каждого образца: 0.21 нм для образца 2.5 нм толщиной, 0.13 для 6 нм и 0.21 для 6 нм толщиной.
Снимки ПРЭМ
Снимки, полученные ПРЭМ (просвечивающим растровым электронным микроскопом) показали сильную текстурированность слоев молибдена и рутения. Также отмечается искажение эпитаксии рутения, что проявляется в виде смещения (110) плоскостей. Исследователи считают, что подобное искажение связано с нестыковкой (001) молибдена и (100) рутения.
С помощью вибрационного магнитометра* были измерены петли гистерезиса* (M-H) для пленок рутения, выращенных при высокой температуре, толщиной 2.5, 6 и 12 нм. Измерения производились при температуре 10 К и 300 К.
Вибрационный магнитометр* — высокочувствительный прибор для определения магнитных свойств различных магнитных материалов.
Петля гистерезиса* — кривая, изображающая ход зависимости намагничивания от напряженности внешнего поля. Площадь петли отображает необходимые для перемагничивания усилия.
| Образец Sub\Mo(20)\Ru(X) | 2.5 нм | 6 нм | 12 нм | Контрольный образец | Общее по всем образцам |
|---|---|---|---|---|---|
| Made | 5 | 5 | 2 | 5 | 12 |
| FM | 4 | 5 | 2 | 0 | 11 |
| FM M vs. H | 30 | 21 | 4 | 5 | 55 |
Показатели измерений вибрационного магнитометра:
Коэрцитивная сила* — показатель напряженности магнитного поля, требуемого для полного размагничивания ферромагнитного вещества (или ферримагнитного).
Необходимо было также исключить возможное «загрязнение» образцов, то есть возможность внешнего влияния чего-либо на образец, что могло исказить показатели измерений. Прежде всего для этого был проверен держатель образцов (часть измерительного прибора, куда помещается для фиксации образец). После каждого измерения каждого образца держатель проверялся на наличие парамагнитного сигнала. А для еще большего уточнения результатов проверки, измерения образцов производились повторно с использованием других держателей.
Еще одной проверки были подвергнуты образцы без кристаллографии, дабы подтвердить факт того, что именно текстурированный слой рутения ответственен за проявления ферромагнитных характеристик. Данная проверка, к счастью исследователей, также прошла успешно.
Текстурированный образец молибдена, выращенный на Al2O3 при температуре 400 °C, также был проверен без нанесения слоя рутения и не показал никаких ферромагнитных свойств. Таким образом были отброшены сомнения касательно того, что молибден или процесс термообработки могли каким-то образом «загрязнить» тестируемые образцы, исказив реальные показатели измерений.
Дабы измерить показатели при переходе в комнатную температуру использовался образец толщиной 6 нм. Основой данного измерения стало сопротивление Холла*, выраженное функцией внешнего поля (Гц). Для этого использовался метод ван дер Пау*.
Эффект Холла* — явление возникновения поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.
Метод ван дер Пау* — четырёхзондовый метод измерения коэффициента Холла. Весьма сложен в исполнении, поскольку для его применения должны быть реализованы определенные условия:
Данный график весьма показателен. Мы видим магнитосопротивление (RHall) и эффект Холла (Н) для текстурированных (синяя линия) и нетекстурированных (черная линия) пленок Mo/Ru. Образец Al2O3/Mo/Ru, не имеющий кристаллографической текстуры, демонстрирует только обыкновенный эффект Холла. Однако текстурированный образец демонстрирует аномальный эффект Холла помимо обычного. Учитывая, что данный образец не имеет перпендикулярной оси, сопротивление изменится как только поле будет достаточно сильным, чтобы привести к сатурации размагничивающего поля 4πMs, где Ms примерно равно
Выводы исследователей и планы на будущее
Ученым потребовалось долгих 2 года кропотливой работы, результатом которой стали доказательства того, что в мире есть не только три элемента с ферромагнитными свойствами при комнатной температуре.
Вот что говорит об этом профессор Ванг, один из руководителей проекта:
Это было захватывающе, но сложно. Нам потребовалось 2 года, чтобы найти верный способ вырастить этот материал и подтвердить его свойства. Этот труд спровоцирует всех других исследователей магнетизма начать поиски фундаментальных аспектов магнетизма в хорошо известных элементах.
Данным исследованием быстро заинтересовалась компания Intel, желающая развивать его и дальше. И не зря, ведь многие ученые считают, что умение манипулировать со свойствами веществ на атомном уровне это невероятно важная составляющая будущих открытий, которые могут начать революцию в различных отраслях жизни человека, в частности в сфере хранения и обработки данных.
То, что ранее было лишь теорией, начинает приобретать форму. И все это происходит благодаря пытливым умам ученых, не желающих принимать мир вокруг них таким, как его описали предшественники. Задаваясь вопросами, блуждая в поисках истины, изучая то, что, вроде как, уже давно изучено — только так можно достичь результата. И ученые данного проекта его достигли.